孔 赟，张 彬，冯 博
(江苏省规划设计集团有限公司，江苏南京 210036)
我国作为一个严重缺水的国家，雨水资源的合理收集与利用对优化供水结构、增加水资源供给、缓解供需矛盾和减少水污染、保障水生态安全具有重要意义。近几年，海绵城市因具有适应环境变化和应对自然灾害等方面的良好“弹性”而成为雨洪管理的热点[1]。在我国城市建设用地中，建筑与小区用地一般占总用地的40%，其产生的雨水径流约占城市径流总量的50%[2]。随着绿色建筑及海绵城市理念的不断深入，建筑与小区雨水资源化利用逐步推广，展现出了良好的生态效益和经济效益。因此，建筑与小区雨水资源化利用具有广阔的前景。
合理的“海绵”效果考核将是海绵城市建设成功与否的必要程序，也是国家财政资金绩效考核的重要内容[3]。2015年7月，住房城乡建设部办公厅印发《海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)》(以下简称《办法》)，《办法》要求定量计算雨水资源利用率，并给出了计算方法，即雨水收集并用于道路浇洒、园林绿地灌溉、市政杂用、工农业生产、冷却等的雨水总量(按年计算，不包括汇入景观、水体的雨水量和自然渗透的雨水量)与年均降雨量(折算成mm)的比值。2020年4月，住房和城乡建设部办公厅下发了关于开展2020年度海绵城市建设评估工作的通知。其中，雨水资源化利用率是评价水资源利用的重要指标，要求对缺水城市海绵城市建设达标区进行雨水资源化利用率评价。
然而，受制于降雨的不确定性、雨水回用对象对雨水利用频次的不同、蓄水设施规模大小不同等原因，在实际应用过程中，雨水资源化利用率并未得到有效定量计算，雨水资源化利用情况也未得到有效评估。Feng等[4]提出合理的下垫面分类系统，搭建了海绵城市建设雨水资源利用潜力模型，并以开封为例验证其可行性。张期銮[5]通过对雨水径流资源化系统的最大可收集径流量、回用需水量及调蓄池容积与系统的雨水收集利用率、雨水资源替代率之间关系的分析，建立了以年为周期、日为步长的Monte Carlo水量动态平衡方法。朱文彬等[6]综合考虑雨水资源化利用的供给侧约束和需求侧约束，采用指标体系法对我国661个城市雨水资源化利用效益进行了评估，从雨水资源化利用量角度研究了雨水资源化利用效率问题。刘琳琳[7]以沈阳市浑南新区慧缘馨村小区为例，分析了蓄水池容积与暴雨重现期的关系，进行了雨水资源化改造、雨水量计算等研究。曾超等[8]研究探索了基于层次分析法的变权PROMETHEE模型在雨水利用评价中应用，认为模型在雨水资源利用评价方面具有优势。曹万春等[9]利用SWMM模型对某校园蓄水池进行连续水量平衡分析，通过梳理蓄水池调蓄容积变化与雨水回用量的关系，得到雨水回用可靠性达61.8%。车晗等[10]通过选取典型年分钟级降雨数据，并根据每个地块实际的用地结构比例，提出了一种针对地块的精细化计算雨水资源化利用量的方法。虽然上述现有的研究从不同的方面考虑，并基于多种方法，对雨水资源化利用进行了直接或间接的效益评估和计算，但是对建筑与小区雨水资源化利用率的定量计算仍有所欠缺。本文以昆山为例，通过构建降雨产流与蓄水设施蓄水耦合模型，系统研究蓄水设施规模大小与雨水资源化利用率之间的关系，提出了一种精确评估建筑与小区雨水资源化利用率的方法，从而尽可能准确地评估雨水资源化利用情况，对雨水资源化利用设施规模的选择也具有积极的参考意义。
昆山地处江苏省东南部，长江三角洲南翼，位于120°48′21″E～121°09′04″E，31°06′34″N～31°32′36″N，是典型的平原水网地区。全市划分为98个圩区，每个圩区独立排水，圩内河网通过水闸与圩外骨干河道联通。昆山属北亚热带南部季风气候区，年平均降水量为1 133.3 mm。《昆山市海绵城市专项规划》依托圩区将昆山划分为98个海绵管控分区，其中位于城市建成区内的庙泾圩为海绵城市建设达标区。
2016年2月，昆山出台《市政府关于印发昆山市建设项目节约用水管理办法的通知》(以下简称《通知》)，《通知》明确要求，规划用地面积为20 000 m2以上的新建建筑配套建设雨水利用设施，建筑面积为30 000 m2以上的宾馆、饭店以及建筑面积为100 000 m2以上的校园、居住区及其他民用建筑配套建设中水或者雨水利用设施。每10 000 m2建设用地宜建设不小于100 m3的雨水调蓄池，路幅超过70 m的道路两侧逐步配套建设雨水蓄水设施。同时，景观用水水源不得采用自来水、逐步禁止绿化、环卫等使用自来水。
在《通知》的指导下，从2016年至今，昆山市市域上报昆山市节水办的雨水利用设施总规模超过140 000 m3，涵盖了住宅区、学校、行政中心、商业办公、工业等用地。其中，城市建成区范围内已建雨水利用设施体积约为13 366 m3。
2.1 地块条件假定
据调研，庙泾圩内建筑与小区占地规模为3 000～54 000 m2。因此，本研究选定的小区规模分别为10 000、20 000、30 000、40 000、50 000 m2。根据《城市居住区规划设计标准》(GB 50180—2018)中关于居住街坊用地与绿地率最小值的控制指标和《海绵城市建设评价标准》(GB/T 51345—2018)，一般情况下，二类居住用地的绿地率为30%～35%，硬化地面面积占比25%～35%。为便于计算，不同规模小区的绿地率均设为30%，硬化面积占比均设为35%。
2.2 建筑与小区雨水利用需求量估算
地块内雨水资源化利用途径主要为绿地、道路和广场浇洒。根据《建筑给水排水设计标准》(GB 50015—2019)和《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》(GB 50400—2016)，小区内绿地浇洒用水量按浇洒面积为2 L/(m2·d)计算，硬质地面(主要为道路和广场)浇洒用水量按浇洒面积为2 L/(m2·d)计算，据此估算不同规模小区每日雨水利用需求量，如表1所示。
表1 不同规模小区雨水利用需求量估算
2.3 降雨产流模拟
以昆山市2013年—2015年实测逐日降雨资料为降雨输入条件，逐日降雨量扣除2 mm后进行产流模拟。昆山市2013年—2015年降雨产流情况如图1所示，综合考虑昆山建筑小区下垫面情况和排水设计参数，雨量径流系数取0.65，构建降雨产流连续性模拟计算模型，由此依据降雨产流情况进行蓄水池雨水收集计算。
图1 昆山市2013年—2015年连续降雨产流
2.4 雨水收集利用边界条件假定
根据实际情况，设定雨水收集利用的一般边界条件。
(1)雨水收集
当日降雨产流进入雨水调蓄池直至蓄满后，产生溢流外排；
若调蓄池未蓄满则无外排雨量，剩余调蓄空间待下次降雨产流继续收集雨水，直至蓄满。
(2)雨水利用
根据实际情况，假定雨天无浇洒需求，仅晴天进行小区浇洒产生雨水利用量。雨水调蓄池收集雨量根据小区每日雨水需求量进行分配，直至用完。
(3)雨水收集-利用平衡
基于昆山市连续3年逐日降雨资料系列，概化逐日“降雨-产流-调蓄池收集-小区浇洒利用”计算程序，动态分析每日雨水收集-利用平衡关系，如图2所示。
图2 雨水收集利用计算
2.5 蓄水设施雨水收集利用分析
按照昆山市海绵城市建设关于蓄水设施建设的相关要求，研究分析100 m3的雨水调蓄池在不同规模小区(10 000、20 000、30 000、40 000、50 000 m2)的雨水收集利用情况。
以面积为10 000 m2的小区设置蓄水池为100 m3的雨水调蓄池为例，进行雨水收集利用模拟计算，分析雨水调蓄池在昆山市2013年—2015年逐日降雨条件下雨水收集利用情况，如表2和图3所示。根据模拟计算结果分析，100 m3雨水调蓄池在10 000 m2小区逐月雨水收集率在0～44.84%，3年平均值为16.06%，呈现出汛期雨水收集率小于非汛期的趋势；
雨水利用率在0～65.88%，3年平均值为15.90%；
梅雨季节(每年6月—7月)雨水收集率和利用率明显偏低于相邻月份。
表2 2013年—2015年逐月雨水收集利用
2013年—2015年逐月雨水收集利用率变化如图3所示。
图3 2013年—2015年逐月雨水收集、利用率变化
模拟计算100 m3雨水调蓄池在面积分别为10 000、20 000、30 000、40 000、50 000 m2小区的雨水收集利用情况，说明单位面积雨水调蓄池规模与雨水收集利用率的关系。不同规模小区设置100 m3雨水蓄水设施时，雨水收集利用情况如表3、图4所示。根据模拟计算结果分析标明，单位面积雨水调蓄池规模越大，雨水收集情况越好。
图4 雨水调蓄池收集利用率与小区面积关系
表3 不同规模小区雨水收集利用
进一步分析可知，雨水收集利用率与单位面积调蓄池规模呈良好的指数关系，具体如下。
①雨水收集率与小区单位面积蓄水池规模指数如式(1)。
Y1=-0.064lnX1+0.158 8
(1)
其中：Y1——雨水收集率；
X1——小区单位面积蓄水池规模，m3/(10 000 m2)。
②雨水资源化利用率与小区单位面积蓄水池规模指数如式(2)。
Y2=-0.063lnX2+0.157 2
(2)
其中：Y2——雨水资源化利用率；
X2——小区单位面积蓄水池规模，m3/(10 000 m2)。
3.1 建筑与小区雨水利用量计算
庙泾圩片是昆山市建成区海绵城市建设达标区，片区内建设有2 830.8 m3的蓄水池，对应的建筑与小区面积为1 221 400 m2。庙泾圩片区雨水设施建设如表4所示。
表4 庙泾圩片雨水调蓄设施建设
根据《办法》，雨水资源化利用率的计算如式(3)。
(3)
其中：a——年雨水收集利用的总量，mm；
b——年均降雨量，mm。
由图4可知，不同规模小区配建同样规模的雨水利用设施(蓄水池为100 m3)时，雨水收集率与雨水资源化利用率数值基本相同，而图4表明雨水资源化利用率数值与小区规模存在明显的负相关：雨水利用设施规模与小区规模比值越小时，雨水资源化利用率就越高。本次评估基于以上模拟结论，尽可能准确地评估雨水资源化利用情况。
为了更精确地反映不同规模小区、不同蓄水设施体积与雨水资源化利用率之间的关系，采用不同配建比例指标(雨水利用设施体积与小区占地面积的比例)来研究与雨水资源化利用率之间的关系。根据图4和表4得到不同配建比例与雨水利用率关系，如表5和图5所示。
图5 雨水资源化利用率与配建比例的关系
表5 雨水资源化利用率与配建比例的关系
通过数据分析得到雨水利用率与配建比例的关系满足一下对数拟合关系式[式(4)]。
Y2=0.062 9lnB+0.446 9
(4)
其中：B——不同配建比例。
据此得到建筑与小区雨水利用量计算如式(5)。
V=F×b×(0.062 9lnB+0.446 9)
(5)
其中：V——小区年雨水利用量，m3；
F——小区面积，m2。
昆山年均降雨量为1 133.3 mm，则庙泾圩片建筑与小区的雨水利用量如表6所示,雨水利用总量为74 755.6 m3。
表6 庙泾圩片区建筑与小区雨水利用量计算
3.2 庙泾圩片建筑与小区雨水资源化利用率计算
雨水资源化利用对于缺水型城市开源节流、改善用水结构至关重要。雨水资源化利用率的精确计算不仅是对海绵城市建设水资源评价的内容，也是评估雨水生态、经济价值的重要环节。本研究以昆山为例，构建了降雨产流与蓄水设施蓄水耦合模型，系统研究蓄水设施规模、小区规模与雨水资源化利用率之间的关系，形成如下结论：(1)本研究的模型可有效评估雨水资源化利用率；
(2)建筑与小区的雨水收集率与雨水资源化利用率数值基本相同，但雨水资源化利用率数值与小区规模存在明显的负相关，雨水利用设施规模与小区规模比值越小，雨水资源化利用率就越高；
(3)通过不同雨水利用设施体积与小区占地面积的比例(配建比例)与雨水资源化利用率之间关系拟合，能够简单而又精准地评估建筑与小区的雨水资源化利用率。本研究对于昆山积极推进建筑与小区雨水资源化利用具有指导作用，建议昆山在开展全域系统化海绵城市建设过程中，进一步加强非常规水资源利用，尤其是建筑与小区雨水资源化利用，并通过本研究结论进行定量计算，以便快速评估雨水资源化利用效率。